Pictures of the Future Frühjahr 2007
Technik für die Umwelt – Effizienz-Weltmeister
Der Effizienz-Weltmeister
Bereits heute gibt es eine Fülle von Energieeffizienz-Lösungen und sparsamen Technologien, mit denen man den Energieverbrauch einer modernen Industrienation auf Anhieb deutlich reduzieren könnte. Welche das sind, lässt sich am besten am Beispiel einer fiktiven Metropole erzählen – dem Effizienz-Weltmeister.
Dass der Klimawandel in vollem Gange ist, lässt sich angesichts des im Februar 2007 vorgestellten Berichts des Weltklimarats (siehe Fakten und Prognosen) nicht mehr ernsthaft bezweifeln. Die Verfeuerung fossiler Rohstoffe wie Gas, Kohle oder Öl trägt erheblich zum Treibhauseffekt bei. Wie aber kann man das Ruder herumreißen? Was würde es bringen, wenn man die neueste und energieeffizienteste Technik einsetzte – bei Fahrzeugen, Kraftwerken, Haushaltsgeräten? Wenn man ganz von vorne beginnen könnte … wie viel Energie würde eine fiktive Metropole mit zehn Millionen Einwohnern verbrauchen? Ein solches Gedankenexperiment lohnt sich – denn der Vergleich mit dem heutigen westeuropäischen Standard bringt überraschende Resultate …
Energieverbrauch von zehn Millionen Deutschen
Energiebedarf und CO2-Emissionen von zehn Millionen Menschen (Werte von 2004 für Deutschland). Die größten Hebel zur Senkung der CO2-Emissionen sind auf der Verbraucherseite Wärme, elektrischer Strom und die Energie für den Verkehr und auf der Erzeugerseite die Verringerung der Verluste
Nehmen wir die Zahlen von Deutschland, das mit Platz sechs nach den USA, China, Russland, Japan und Indien zu den größten Energieverbrauchern zählt. Derzeit liegt hier der Primärenergieverbrauch knapp über 14 200 PJ/a (1 PJ = 1015 J, eine Billiarde Joule). Da 82 Millionen Menschen in Deutschland leben, würde eine fiktive 10-Millionen-Stadt etwa 1 750 PJ verbrauchen (Grafik rechts). Müsste man diese Energie mit Steinkohle erzeugen, bräuchte man dafür 60 Mio. t – das ist ein fast 30 m hoher Kohleberg mit 1 km Länge und 1,5 km Breite. In Wirklichkeit besteht der deutsche Energiemix aus 36 % Erdöl, 23 % Erdgas, 13 % Steinkohle, 12 % Braunkohle, 12 % Kernenergie sowie etwa 5 % Wasserkraft, Wind, Solar, Biomasse, Geothermie und anderen Energiearten. Da bei der Umwandlung dieser Primärenergie in nutzbare Energieformen Verluste – etwa durch Eigenverbrauch der Energieerzeuger und durch die Übertragung – auftreten, kommen bei den Verbrauchern nur 1 120 PJ an so genannter Endenergie an. Industrie und Gewerbe verbrauchen davon 42 %, Haushalte 29,5 % und der Verkehr 28,5 %.
In unserer fiktiven Effizienz-Metropole haben sich Bewohner, Behörden und die Industrie das Energiesparen zum Grundsatz gemacht. Als eines der ganz großen Energielöcher hat man die Wärme angepackt, denn in Deutschland werden 58 % der Endenergie nur für die Herstellung von Wärme verbraucht – für mollig warme Büros, Schul- oder Wohnzimmer, für Warmwasser und für die Prozesswärme in der Industrie. Zu letzterer zählen Dampf und Hitze für die Produktion von Aluminium, Zink oder Chlor. Im Privathaushalt hat die Wärme laut der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen – einem Zusammenschluss aus sieben deutschen Fachverbänden – gar einen Anteil von 80 % am Energieverbrauch.
Wärme bietet ein gigantisches Einsparpotenzial, das sich leicht ausschöpfen lässt. Allein bei Altbauten lassen sich durch die Sanierung, die Isolierung von Außenwänden und Kellerdecken und den Einbau von Wärmeschutzfenstern laut einer Studie des Umweltbundesamtes 56 % Energie sparen. Altbauten verbrauchen jährlich pro Quadratmeter Wohnfläche 17 bis 25 l Öl oder Kubikmeter Gas. Bei einem gewöhnlichen Neubau sind es 10 und bei einem Niedrigenergiehaus nur noch 5 bis 7 l. Ein so genanntes Passivhaus benötigt gar nur mehr 1,5 l Öl beziehungsweise Kubikmeter Gas. Keine Frage also, dass man in der Effizienzmetropole alle Altbauten saniert hat und Neubauten mit staatlicher Förderung nur noch im Niedrigenergie- oder Passivhaus-Standard errichtet.
Für Industrie- und Gewerbebauten gilt ähnliches. Prozesswärme und Raumwärme haben hier einen Anteil von 67 % am Energieverbrauch. Hinzu kommt der Strom für Lüftung und Klimaanlagen. In der fiktiven Effizienzmetropole laufen diese Anlagen nicht mehr den ganzen Tag auf Volllast, sondern werden nach Bedarf geregelt. Wärme- und CO2-Sensoren ermitteln, ob es im Raum zu kalt oder stickig ist; andere Sensoren messen, ob er belegt ist und wie viel Frischluft nötig ist. Derartige Lösungen sind eine Spezialität der Experten bei Siemens Building Technologies (SBT). Die SBT-Energiespardetektive fahnden in Krankenhäusern, Büros, Einkaufs- und Konferenzzentren, in Behörden, Schwimmbädern, Sporthallen oder Schulen nach Energielecks. Dabei zeigt sich, dass sich in vielen Gebäuden der Energieverbrauch auch ohne große Investitionen in neue Anlagentechnik erheblich reduzieren lässt, oft um 20 bis 40 %. Der Trick: Die SBT-Spezialisten passen die Klimaregelung dem tatsächlichen Bedarf möglichst exakt an. Mit intelligenten Algorithmen wird berechnet, wann Lüftung und Heizung hochgefahren werden müssen, um Räume auf den Zeitpunkt genau zu klimatisieren. Präsenz-Sensoren melden, ob Räume menschenleer sind und schalten Licht und Lüftung ab. Via Internet können die Techniker zudem die Betriebszustände abfragen. Hat jemand die Heizung zu hoch eingestellt oder vergessen, vom Handbetrieb auf automatische Regelung zurückzuschalten, kann der Energiefresser-Modus aus der Ferne abgestellt werden.
Sparsame Motoren. In der Effizienz-Stadt hat man auch weitere Energielecks abgedichtet – beispielsweise sind Elektromotoren, wie sie für Antriebe, Förderbänder oder Pumpen eingesetzt werden, für fast 70 % des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich. Mit effizienteren und intelligent gesteuerten Motoren lässt sich hier eine Menge einsparen. Früher wusste kaum jemand, welche der vielen hundert Maschinen in einem Unternehmen wie viel Strom verbrauchen. Der Siemens-Bereich Automation and Drives hat hierfür eine Analyse-Software entwickelt – die Simatic powercontrol. Das Programm hangelt sich durch die Prozesse einer Fabrik und findet heraus, welche Maschine und Anlage wann wie viel Strom verbraucht. So werden verborgene Optimierungschancen sichtbar und Energiefresser identifiziert.
Selbstverständlich wird in der Effizienz-Metropole auch die Abwärme genutzt. Industrial Solutions and Services bietet dafür ein Konzept an, das sich für alle Branchen mit großen Abwärmemengen eignet: etwa die Glas-, Metall-, Pharma oder Zementindustrie. Das Prinzip ist überall gleich. Die Abwärme wird eingesetzt, um eine Flüssigkeit zu verdampfen, die eine Turbine antreibt. Der Strom kann dann direkt im Unternehmen genutzt werden.
All diese Maßnahmen kosten natürlich Geld, und gerade Kommunen sind oft klamm und müssen sparen. Eine Lösung ist das Energiespar-Contracting. Die Idee: Siemens plant und installiert die neue Technik, und die Gemeinde bezahlt die Investitionen in Raten aus den erzielten und vorher garantierten Energieeinsparungen. Sie hat dadurch keinerlei Mehrausgaben. Läuft der Vertrag nach rund zehn Jahren aus, fließen sämtliche Einsparungen in die Kassen der Kommune. Beispiel Berlin: Hier hat SBT elf städtische Hallenbäder saniert. Die Spezialisten tauschten alte Heizkessel aus, installierten effizientere Anlagen für Wärmerückgewinnung und Warmwasseraufbereitung und stellten von Öl- auf Gasbetrieb um. Die Bäder sparen jetzt jährlich 1,63 Mio. € – ein Drittel der Energiekosten. Vor allem in kommunalen Altbauten, etwa altehrwürdigen Schulen, macht sich das Contracting bezahlt, da der Verbrauch hier oft sogar halbiert wird. Aber auch in Krankenhäusern wird dieses Konzept erfolgreich eingesetzt.
Bremsenergie wiedergewinnen. Neben der Wärme hat sich die Energieeffizienz-Stadt auch dem zweiten großen Verbraucher zugewandt: dem Verkehr. 28 % der Endenergie wird in Form von Kraftstoffen genutzt. 5,6 Millionen Pkw waren bislang in der fiktiven Megacity unterwegs – die pro Jahr etwa 15 Mio. t CO2 emittierten. Für die Bürger der Energieeffizienz-Metropole war das Grund genug, oft auf das inzwischen stark ausgebaute Netz der öffentlichen Verkehrsmittel umzusteigen – zumal der Betrieb von Fahrzeugen, die hohe CO2-Mengen ausstoßen, über Steuern und Mautgebühren recht teuer geworden ist.
Die neuen Busse und Bahnen sind nicht nur komfortabel und fahren eng getaktet hintereinander, sondern sie verbrauchen dank Leichtbaumaterialien und Bremsenergie-Rückgewinnung 30 % weniger Energie als früher. Ist man dennoch einmal auf das Auto angewiesen, fährt man mit Hybridtechnik, die die Bremsenergie in Batterien speichert und zum Anfahren wieder an einen Elektromotor abgibt – damit lassen sich rund 20 % Treibstoff sparen. Noch mehr sparen künftig Autos, bei denen Elektroantrieb und elektrische Bremsen direkt in die Räder integriert werden. Internetbasierte Informationssysteme sowie effiziente Verkehrsleitsysteme verhindern Staus und erleichtern die Parkplatzsuche.
Doch die Effizienzweltmeister wären keine, hätten sie sich nicht auch den Stromverbrauch vorgeknöpft. Der hat in Deutschland zwar nur einen Anteil von knapp 20 % am Endenergieverbrauch – doch das ist nur die halbe Rechnung. Schließlich muss Strom erst einmal in Gas-, Kohle- oder Kernkraftwerken produziert werden. Deren Verluste liegen heute zwischen 50 und 65 % – daher werden 38 % der Primärenergie heute nur dafür eingesetzt, um Strom zu erzeugen. Den Effizienzweltmeistern ist das zu viel. Sie nutzen die Primärenergie besser – etwa in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GuD), die bereits heute über 58 % der im Gas enthaltenen Energie in Strom verwandeln. In der Energiespar-Metropole liegt dieser Wert bei über 60 % – hinzu kommt eine Auskopplung von Wärme, so dass der Brennstoffnutzungsgrad sogar über 80 % liegt: Prozessdampf und Wärme werden über Rohrleitungen in nahe gelegene Fabriken und Wohnhäuser transportiert.
Dass ein elektrischer Wirkungsgrad von über 60 % bald Stand der Technik ist, zeigt Siemens in Irsching bei Ingolstadt. Hier entsteht für den Versorger E.ON ein 530-MW-GuD-Kraftwerk, das 2008 mit einem solchen Wirkungsgrad in Betrieb gehen soll. Das Kernstück ist eine von Siemens in Berlin gebaute Gasturbine – 13 m lang und mit 444 t so schwer wie sechs Dieselloks, aber mit der hundertfachen Leistung. Mit 340 MW erzeugt allein die Gasturbine genug Strom, um die Bevölkerung einer Stadt wie Hamburg oder Barcelona versorgen zu können. Künftige Baureihen solcher Kraftwerke sollen dann innerhalb von zehn Jahren die 63-%-Marke erreichen. Was das bedeutet, zeigt ein Vergleich: Würden weltweit die Kohlekraftwerke durch neueste GuD-Anlagen ersetzt, würde dies der Atmosphäre jährlich mehr als 4 Mrd. t CO2 ersparen.
Zur CO2-Einsparung tragen in der fiktiven 10-Millionen-Stadt natürlich auch regenerative Energien bei: So befinden sich auf fast jedem öffentlichen und privaten Gebäude Solarzellen. Aus der Ferne liefern Windräder ihren Teil, ebenso Geothermie- und Biomasse-Kraftwerke. Auch ein Großteil der Haushaltsabfälle wird wieder in Brennstoffe für Kraftwerke verwandelt. Eine weitere Option zeigen Siemens und Energie Baden-Württemberg (EnBW) mit einem Brennstoffzellen-Kraftwerk der Megawattklasse, das sie bis 2012 bauen wollen (siehe Brennstoffzellen-Kraftwerke). Mit einer angekoppelten Gasturbine kann eine solche Anlage etwa 70 % der Energie in Strom umsetzen.
Lichtblicke im Haushalt. Auch die Bewohner der Effizienz-Metropole leisten zu Hause ihren Beitrag – durch Stromsparen. Fast die Hälfte des Stroms im Haushalt verbrauchen Kühl- und Gefriergeräte, Herde, Waschmaschinen und Geschirrspüler. Die Anschaffung von Neugeräten ist hier die beste Investition, denn seit 1990 hat sich der Stromverbrauch bei solchen Geräten zwischen 30 und 75 % reduziert. Das Wuppertal-Institut für Klima, Umwelt, Energie geht davon aus, dass sich durch den Austausch alter Haushaltsgeräte bundesweit pro Jahr 7,9 TWh (Milliarden kWh) – entsprechend 28,4 PJ – einsparen lassen. Das entspricht dem Strombedarf von fast fünf Millionen Menschen.
Auch die Beleuchtung wurde in unserer Effizienz-Metropole runderneuert. In Deutschland werden über 10 % und weltweit fast 19 % des Stromverbrauchs für Beleuchtung aufgewendet. Beim jetzigen globalen Energiemix entspricht dies einem Ausstoß von 1,6 Mrd. t CO2 pro Jahr – ebenso viel wie 500 Millionen Pkw emittieren (siehe Licht für die Welt von morgen). Das Einsparpotenzial ist erheblich und leicht zu realisieren, denn Energiesparlampen und LED-Leuchten reduzieren den Stromverbrauch um bis zu 80 % gegenüber konventionellen Glühlampen.
Erste Städte nutzen dies bereits: So hat Budapest Siemens beauftragt, in allen 33 000 Lampen der Ampelanlagen die Glühlampen durch LED zu ersetzen. Die Finanzierung entspricht einem Energiespar-Contracting: Die monatlich zu zahlenden Raten sind niedriger als die Einsparungen durch den geringeren Stromverbrauch und die wegfallenden Wartungskosten – diese Investition in Nachhaltigkeit finanziert sich daher allein schon durch die Einsparungen.
Auch für ärmere Länder gibt es Lösungen: So wird Osram in einem Schwellenland den kostenlosen Ersatz von privaten Lampen durch Energiesparlampen anbieten. Grundlage dafür ist die weltweit erste Genehmigung der Vereinten Nationen für ein derartiges Projekt nach dem Clean Development Mechanism: Das eingesparte CO2 wird in Emissionszertifikate umgerechnet, mit denen dann die Investitionen bezahlt werden.
Auch in Fabrikhallen, die bislang oft mit einigen tausend konventionellen Leuchtstofflampen ausgerüstet sind, lässt sich der Energieverbrauch deutlich reduzieren. Moderne Spiegelrasterleuchten, elektronische Vorschaltgeräte und tageslichtabhängige Dimmerschaltungen sparen hier ebenfalls bis zu 80 % Strom.
Nimmt man all diese Potenziale zusammen – ob im Haushalt, der Industrie, im Verkehr oder der Kraftwerkstechnik –, dann kommt man in der Effizienz-Weltmeister-Stadt durchaus auf Einsparungen von 50 %, bei der Primärenergie wie auch beim CO2-Ausstoß. Dieses Gedankenexperiment macht vor allem eines deutlich: Für das Energiesparen im großen Stil gibt es schon heute eine Vielzahl von Lösungen – die nicht erst entwickelt werden müssen, sondern vom Fleck weg eingesetzt werden könnten.
Tim Schröder
Maßnahmen bei Energiegewinnung und -verteilung
Stromproduktion: Bei einem durchschnittlichen Kohlekraftwerk (800 MW) bringt jeder Prozentpunkt, um den der elektrische Wirkungsgrad erhöht werden kann, eine jährliche Einsparung von 100 000 t CO2. In Deutschland liegen die Wirkungsgrade von Kohlekraftwerken derzeit im Durchschnitt bei 38 %, weltweit erst bei 30 %. Doch bereits mit heutiger Technik können Kohlekraftwerke 46 % (Steinkohle) bzw. 43 % (Braunkohle) erreichen – und künftig sollen noch einige Prozentpunkte mehr möglich sein. Für Erdgas liegt das beste GuD-Kraftwerk derzeit bei 58,5 % – ein 60-%-Kraftwerk wird von Siemens und E.ON gerade gebaut. Gegenüber dem 58,5-%-Kraftwerk wird die neue Anlage dann etwa 4000 t pro Jahr weniger an CO2 emittieren (das entspricht dem Ausstoß von 12 000 Pkw mit 20 000 km/a und dem europäischen Durchschnitt von 163 g CO2 pro km). Gegenüber einem durchschnittlichen Kohlekraftwerk beträgt die Einsparung bei gleicher Leistung sogar 2,8 Mio. t CO2 pro Jahr – das ist mehr als die jährlichen Gesamtemissionen von Siemens, die aus der Nutzung von Strom, Wärme und Fernwärme entstehen (2,7 Mio. t).
Energieübertragung: Zur Senkung der Leitungsverluste gibt es Rezepte wie den Einsatz gasisolierter Leitungen für Ballungsräume oder die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ), wenn Strom über weite Strecken oder per Seekabel transportiert werden soll. Ein Beispiel: In Indien baut Siemens derzeit eine HGÜ, um 2 500 MW Leistung über 800 km zur Hauptstadt Neu-Delhi zu übertragen. Gegenüber einer konventionellen Wechselstromübertragung hat die HGÜ wesentlich geringere Verluste und spart so etwa 690 000 t CO2 pro Jahr.
Regenerative / alternative Energiequellen: Ein Drittel des Stroms aus Wasserkraft weltweit wird mit Technik von Voith Siemens Hydro gewonnen: 930 TWh pro Jahr, was verglichen mit fossilen Energiequellen etwa 540 Mio. t CO2 einspart. Weitere 10 Mio. t sparen 6 300 Windturbinen von Siemens, die weltweit im Einsatz sind (mit insgesamt 5,5 GW Spitzenleistung). Europas größtes Biomasse-Kraftwerk in Wien versorgt 50 000 Haushalte mit Strom und 12 000 mit Wärme. Ähnlich umweltfreundlich ist eine neue Geothermie-Anlage von Siemens bei München.
Weitere Maßnahmen: Jedes große Kernkraftwerk (1 600 MW) spart im Vergleich zu Kraftwerken mit fossilen Rohstoffen etwa 9 Mio. t an CO2 pro Jahr. Mit Kraft-Wärme-Kopplung, der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Prozessdampf oder Fernwärme, steigt der Brennstoffausnutzungsgrad von GuD-Anlagen auf bis zu 90 %. Brennstoffzellen-Kraftwerke sollen dank Kopplung mit Gasturbinen in Zukunft Stromwirkungsgrade bis 70 % erreichen. In IGCC-Kraftwerken kann CO2 abgetrennt und dann unterirdisch gelagert werden – Pilotanlagen sind derzeit in Planung.
Maßnahmen auf der Verbraucherseite
Klimatisierung und Heizung verschlingen den größten Teil des Endenergieverbrauchs. Durch Wärmedämmung, effizientere Klimaanlagen und Gebäudeautomatisierung lässt sich erheblich Energie sparen. Im Bereich der öffentlichen Gebäude bietet Siemens das Energiespar-Contracting an, bei dem die Investitionen durch die Einsparungen finanziert werden. Typische Verbrauchsreduktionen betragen 10 bis 40 %. Weltweit hat Siemens seit 1995 etwa 1 900 Projekte mit 6 500 Gebäuden durchgeführt. Garantierte Einsparungen: 1 Mrd. €, CO2-Reduktion 2,4 Mio. t.
Elektromotoren sind wohl einer der am meisten unterschätzten Hebel für Energieeinsparungen. Sie machen 65 bis 70 % des gesamten Stromverbrauchs der Industrie aus. Weltweit sind etwa 20 Millionen Industriemotoren in Betrieb (für Antriebe, Pumpen, Kompressoren etc.). Durch den Einsatz von Energiesparmotoren, Frequenzumrichtern und die Optimierung des Gesamtsystems kann der Stromverbrauch je nach Anwendungsfall um 10 bis 50 % sinken. Die Amortisationszeit liegt unter zwei Jahren. Weltweit ergeben sich Einsparpotenziale von etwa 600 Mio. t CO2 pro Jahr.
Elektrogeräte im Haushalt: Gegenüber dem Basisjahr des Kyoto-Protokolls (1990) sank der Stromverbrauch von Elektrogeräten bereits erheblich. So verbrauchen Kühlschränke von Bosch und Siemens Hausgeräte heute 75 % weniger Strom, Waschmaschinen und Geschirrspülmaschinen 35 bis 40 % und Elektroherde etwa 30 %. Da diese Geräte mehr als die Hälfte des Stromverbrauchs der Privathaushalte ausmachen, lässt sich so viel Energie einsparen. Weitere Potenziale ergeben sich durch eine Reduzierung des Standby-Betriebs von Geräten und die Optimierung von IuK-Netzen.
Beleuchtung: Energiesparlampen und Leuchtdioden (LED) sparen etwa 80 % Strom und leben 15- bis 50-mal länger als konventionelle Glühlampen. Die Einsatzgebiete reichen heute von Scheinwerfern für Fahrzeuge aller Art über Displays bis zur Allgemeinbeleuchtung. Weltweit werden etwa 2 700 TWh für Licht eingesetzt. Das sind 19 % des Stromverbrauchs – ebenso viel wie alle Wasserkraftwerke erzeugen. Durch Umrüstung auf Energiesparlampen und LED-Leuchten ließen sich 450 Mio. t CO2 pro Jahr einsparen.
Schienenverkehr: Schon heute ist der Energieverbrauch des Schienenverkehrs gering – in Deutschland wird dafür weniger Energie aufgewandt als für den Betrieb von Gefrier- und Kühlschränken. Die Förderung des öffentlichen Personennahverkehrs ist daher bereits eine Maßnahme zur Umweltschonung. Dennoch lässt sich auch hier noch sparen, etwa durch Bremsenergie-Rückgewinnung und den Einsatz leichterer Materialien wie Aluminium. Eine von Siemens für Oslo gebaute Metro benötigt beispielsweise 30 % weniger Energie als bisherige U-Bahnen.
Pkw, Lkw: Die Einspritztechnik mit Piezoventilen und neue Hybridantriebe (Elektro- und Verbrennungsmotor) können den Kraftstoffverbrauch um 20 bis 25 % reduzieren. Auch die Gewichtsreduzierung und die Optimierung der Aerodynamik bergen erhebliche Potenziale, ebenso die künftige Integration von Bremsen und Elektroantrieben in die vier Räder. Telematik und Parkleitsysteme reduzieren zudem Staus und den Parksuchverkehr, der in Städten oft 40 % des Verkehrsaufkommens ausmacht. Die Londoner City-Maut erreichte eine Reduktion des Verkehrs und der Staus um über 20 %.